计算机仿真下舰载无人机姿态跟踪探究

摘要:舰载无人机是近年来海上军事作战中的重要武器，由于海上的气象条件恶劣，舰船又处于不断的运动中，因此，舰载无人机的起落对自身的运动和姿态控制有非常高的要求。本文建立舰载无人机的动力学模型，在此基础上研究舰载无人机的姿态控制技术，最后结合Simulink软件平台对舰载无人机的姿态跟踪控制效果进行计算机仿真，提高了舰载无人机跟踪控制水平。

关键词：计算机仿真；无人机；姿态跟踪控制；Simulink

0引言

近年来，随着陆地战略资源的不断枯竭，世界各国都将目光瞄准了海上丰富的战略资源，在不断争取海洋领土，进行海上资源勘测的同时，积极发展海上军事战斗力量，形成海上军事威慑力。我国海洋疆域面蕴藏着丰富的煤、石油、有色金属等重要的战略自然资源，因此，提高海上军事作战能力，发展海洋军事国防具有深远的意义。舰载无人机能够使舰船的作战与打击范围大幅扩大，弥补了舰船自身导弹系统的射程不足等问题，基于舰载无人机的海上军事作战系统已经成为世界军事大国的重点研究内容。现在无人机作战面临的挑战包括：1）由于舰船与无人机均处于相对运动状态，因此无人机的起飞和着舰过程的动力学特性是一大难点[1]；2）无人机的智能化控制水平；3）无人机的续航能力，主要受限于蓄电池的容量和性能。本文的研究主要针对舰载无人机的起飞与着舰过程的动力学问题，设计了一种舰载无人机的姿态跟踪与控制系统。

1舰载无人机姿态运动建模

o−xyz为了准确描述舰载无人机的姿态及运动特征，本文首先建立了无人机运动的地面坐标系和运动坐标系，其中，地面坐标系的原点为海面一个定点，ox轴指向船舶的航行方向，oz轴与船舶的甲板垂直方向平行，oy轴根据右手法则确定[2]。舰载无人机的运动坐标系o−lmn原点为无人机的质心位置，om轴指向无人机的机头位置，on轴指向机身的左侧，ol轴根据右手法则确定。舰载无人机的坐标系如图1所示。Fig.1CoordinatesystemdiagramofShipborneUAV坐标系o−xyz和坐标系o−lmn的转换矩阵如下式：Wab=cosαcosβcosαsinαcosβ−cosβsinβ000cosα，式中：α为迎角，β为侧滑角。针对舰载无人机的运动特性，建立无人机的运动模型，在建模之前，首先根据舰载无人机的运动特点进行几点假设：1）建模过程不考虑地球的曲率半径，地球的曲率会在无人机运动的om轴方向产生距离误差，此处可以忽略。2）忽略地球的自转，自转会使静坐标系和运动坐标系的水平轴发生位移，影响计算精度。建立无人机运动模型如下：∑F=d(mv)dt，∑M=d(L)dt。式中：F/M分别为舰载无人机受到的力和力矩矢量之和；m为无人机的质量；v为速度矢量；L为动量[3]，将舰载无人机受到的力和力矩矢量按照坐标轴分解，可得：其中：Fx，Fy，Fz分别为合力在坐标系3个坐标轴的TSTaDYLGSbLMNlxlylzLaMaNa分量；为舰载发动机的推力；为阻力系数；，，分别为舰载无人机受到的阻力、侧向力和升力；为无人机的重力，为重力系数。、、分别为力矩在3个坐标轴的分量，为无人机的质心坐标，为3个方向的气动力矩。无人机在静坐标系的动量模型为：vlvmvn式中：为ol轴方向的速度；为om轴方向的速度；为on轴方向的速度。

2基于计算机仿真技术的舰载无人机姿态跟踪研究

2.1舰载无人机姿态跟踪与控制系统

舰载无人机在着舰过程中对姿态控制有非常高的要求，主要包括以下几个方面：1）侧向偏差的控制无人机着舰时，着舰点与舰船甲板的中心线偏差必须要保证在3m之内；2）航向角控制舰船甲板上含有各类建筑物和设备，为了防止无人机与障碍物碰撞，必须要保证无人机航向与甲板中心线的夹角偏差在±3°。3）稳定性控制无人机着舰时飞行速度迅速降低，此时机翼受到的气动载荷会产生明显的变化，造成稳定性降低。因此，无人机着舰时需要满足稳定性控制要求，机翼振幅控制在正负100mm。本文结合无人机运动控制的需求，设计了一种无人机姿态跟踪和控制系统，其原理图如图2所示。该系统以无人机的侧滑角度β为输入控制信号[3]，主要是因为无人机的侧滑角度会影响其航向、稳定性等，建立姿态控制器模型为：δpδ∗prαKαKβ式中：为跟踪控制器设置的初始侧滑角度；为侧滑角的偏差；，分别为无人机水平方向的位移；为无人机的航向角；，为系统的控制参数，分别取1.05和1.25。

2.2舰载无人机姿态跟踪与控制系统的仿真分析

本文针对舰载无人机姿态跟踪与控制系统的控制特性进行了仿真测试，测试环境为Matlab/Simulink环境，测试平台为工业计算机[4]。(0,0,0)(1000,500,−2000)(0,5,7.5)设置舰船的初始坐标位置为，无人机的初始位置为，无人机的初始速度为80m/s，姿态按照航向角、仰角和侧滑角输入，为。得到舰载无人机的位置与高度变化仿真曲线如图3所示。由仿真曲线可知，随着无人机和舰船距离的不断缩小，其高度变化趋势越来越快，但高度变化曲线的曲率平稳变化，证明无人机姿态控制具有良好的效果。

3结语

本文针对舰载无人机的运动学特性，建立无人机的运动学模型。在此基础上设计了一种舰载无人机的姿态跟踪和稳定性控制系统，介绍系统的原理，并完成了仿真测试。

作者:韦婷婷 单位:玉林师范学院